南京5種園林植物對大氣污染物的綜合凈化能力

賈明云 李密密 周冬琴 蔣逍逍 于金平

摘要：采用人工煙霧箱模擬熏氣法實時監測5種園林植物雪松、女貞、廣玉蘭、石楠和桂花作用下大氣污染物的濃度變化。結果表明，5種植物葉片單位面積對SO2、氮氧化物（NOx）和細顆粒物（PM2.5）的綜合去除能力表現為廣玉蘭>雪松>女貞>桂花>石楠。動力學模型擬合結果表明，植物對大氣中SO2和PM2.5的去除主要由葉表面吸附過程控制;而對NOx的去除則受植物葉片內的吸收轉化過程影響。對葉片微形態結構的環境掃描電鏡觀察發現，表皮溝狀組織、葉面密被絨毛有利于植物吸附SO2和PM2.5，而氣孔大小和密度影響NOx的吸收和轉化。

關鍵詞：大氣污染;園林植物;人工煙霧箱;動力學;葉片微形態;凈化能力

中圖分類號： X51;X173 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0158-06

隨著社會經濟的快速發展，工業化、城鎮化的推進，能源資源消耗的持續增加，我國大氣污染現狀嚴峻，以可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區域性大氣環境問題日益突出[1-2]。我國大氣污染以煤煙型污染為主，表現為總懸浮顆粒物（TSP）、PM10和PM2.5濃度超標;二氧化硫（SO2）污染長期保持在較高的水平;機動車尾氣污染物排放總量增加，致使大氣氮氧化物（NOx）污染不斷加重。大氣污染直接影響生態環境，危害人體健康。前者主要體現在加重酸雨的形成、臭氧層破壞、影響氣候等方面;后者主要是人體肺部吸入污染物，引起心血管、呼吸系統、肺部等疾病[3-6]。為改善大氣質量，國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》[1]，近5年來城市大氣污染問題得到了一定的改善，但大氣污染與修復工程仍是國家和民眾關注的焦點問題[7]。

植物作為現代化城市環境建設的主體，在美化城市景觀、調節區域小氣候等方面發揮著重要作用[8-10]。植物不僅對一定濃度范圍內的環境污染物有抵抗力，而且可以通過吸附、吸收、累積和轉化等途徑有效地持留和去除大氣污染物，凈化大氣[11-14]。近年來，利用植物修復技術來治理大氣污染成為新的研究熱點和科技前沿。目前國內外關于城市園林植物凈化大氣污染物的研究主要集中于野外清潔區和污染區植物在一定時間段內葉片滯留顆粒物的質量、葉片內硫（S）和氮（N）元素含量來反映植物對大氣中PM2.5、SO2、NOx的吸收凈化效果[11-15]。但是，這種方法受其生長自然環境條件如顆粒物濃度、大氣運動、氣候狀況、風力等，以及車輛、人類活動的影響較大，很難客觀評價綠化植物對各種污染物的綜合修復能力[16]。人工熏氣煙霧箱能夠模擬自然界氣候條件，對植物生長環境進行恒定控制，能夠對不同植物的綜合修復能力進行客觀評價。然而，目前國內外采用人工煙霧箱開展不同植物凈化大氣中PM2.5、SO2和NOx的研究[17]甚少。因此，本研究擬采用人工熏氣箱對大氣中PM2.5、SO2和NOx進行實時監測，通過經典動力學方程探討不同植物對大氣污染物的累積動力學特征，結合植物葉片微形態特征，闡明不同植物葉片對大氣污染物的凈化機制，以期為城市綠化植物選擇和生態景觀城市建設提供科學依據。1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選擇5種常用城市綠化植物作為試驗材料，分別為雪松（Cedrus deodara）、女貞（Ligustrum lucidum）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora）、石楠（Photinia serrulata）、桂花（Osmanthus fragrans），其生長習性、葉片表觀特征等基本性質見表1。取生長狀況良好的新鮮葉片，采用環境掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200，荷蘭FEI公司）對其葉片微形態特征進行分析。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙霧箱裝置 本研究通過南京信息工程大學實驗室自制的煙霧箱裝置，模擬自然狀態下植物對大氣污染物的消減過程。煙霧箱的框架是用高為2 m，直徑為60 cm的圓柱形不銹鋼制成。整個煙霧箱由特氟龍膜（對污染物無吸附）包裹，四周密封，每次試驗時用密封棒將頂部密封。在煙霧箱的中部有2個直徑為1 cm的圓孔，分別用于進樣和連接監測儀器。分別采用美國Thermo Scientific公司的SO2分析儀（Model 43i）和NOx分析儀（Model 42i）對煙霧箱中SO2和NOx的濃度進行實時檢測。利用美國TSI公司的掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀（SMPS）實時測量煙霧箱中大氣顆粒物的粒徑分布和濃度。為了使通入煙霧箱內的污染氣體快速擴散均勻，在煙霧箱中置入1臺小型風扇。試驗在25 ℃恒溫光照室中進行。室內配有溫濕度計，用于煙霧箱內溫度和濕度實時監測。

1.2.2 植物對大氣污染物的消減能力測定 每個樹種選擇樹齡、樹木高度基本相同的植株，進行大氣污染物（SO2、NOx和PM2.5）消減動力學試驗。試驗前將植物葉片擦洗干凈，置入煙霧箱密封后，通入污染氣體（SO2、NOx、PM2.5）。其中SO2、NOx和PM2.5的初始濃度分別為55～75 μg/L、90～95 μg/L 和104～105 個/cm3。打開風扇工作5 min，待煙霧箱中污染氣體擴散均勻后（讀數穩定），開始記錄數據。每隔 1 min 記錄1次污染氣體的濃度。根據前期預試驗結果，連續記錄2 h，用于計算煙霧箱中污染氣體的凈化百分率變化情況。通過紙樣稱量法測定植物的葉面積[18]，用于計算單位葉面積植物對污染氣體吸附量的動態變化情況。

為了防止花盆以及土壤吸附污染氣體影響試驗，用裝有相同土壤但無植物栽培的花盆作為空白對照。每種植物選取3盆作為1個平行，每盆重復測定3次，由于數據量過大，本試驗取其算術平均值用于計算和作圖。

1.3 數據處理

植物對污染氣體的凈化百分率通過公式（1）進行計算：

凈化百分率=C0-（Ct-C空白）C0×100%。

（1）

式中：C0為煙霧箱中某一污染氣體的初始濃度;Ct為t時刻煙霧箱中該氣體的濃度，t為處理時間;C空白為沒有植物的對照處理中污染物的濃度。

單位葉面積植物對污染氣體的吸附量通過公式（2）進行計算：

Qt=（C0-Ct-C空白）VS總。

（2）

式中：Qt為t時刻植物對污染物的吸附量;V為煙霧箱總體積;S總為單株植物的總葉面積。

污染氣體在植物葉片上的吸附動力學分別采用假一級動力學方程和假二級動力學方程進行擬合。假一級動力學模型用于描述主要通過邊界擴散完成的單層吸附，其數學表達式[19-21]為：

Qt=Qe[1-exp（-k1t）];

（3）

假二級動力學模型被廣泛用于描述污染物的化學吸附機制，即通過在吸附質和吸附劑之間共用電子的方式形成共價鍵或離子交換作用[19-21]，其表達式如下：

Qt=k2Q2et1+k2Qet。

（4）

式中：Qe和Qt分別表示吸附達平衡時、t時植物對污染氣體的吸附量;k1和k2分別為假一級、假二級吸附速率常數。

2 結果與討論

2.1 大氣污染物的消減

如圖1所示，3種大氣污染物的濃度均隨植物處理時間的延長呈逐漸下降的趨勢，說明植物對這3種大氣污染物均具有一定的凈化作用。所不同的是，煙霧箱內不同污染物濃度隨著時間的變化規律表現出明顯的差異。從圖1可以看出，SO2和PM2.5的消減規律大體相似，而與NOx明顯不同。具體為SO2和PM2.5在煙霧箱中的濃度隨著時間的延長先快速下降，在100 min左右逐漸趨向于穩定，呈顯著指數衰減規律（r2=0.933～0.988）。然而，這5種植物對NOx的消減速率基本保持不變，煙霧箱中NOx的濃度隨著時間的延長下降緩慢（r2=0.911～0.980）。說明植物對NOx的吸收未達到飽和，可能與植物對大氣中NOx吸收、轉化有關[13]。

為評估單株植物對3種大氣污染物的凈化量，利用公式（1）計算植物對SO2、NOx、PM2.5的去除率（圖2）。5種植物對大氣中SO2、NOx、PM2.5均具有一定的凈化作用，但是不同植物對污染物的去除率之間存在顯著差異（P<0.05）。從圖2可以看出，桂花對SO2的去除效果最好，2 h的去除率可達46%;其次是廣玉蘭和女貞，并且這3種植物對SO2的去除率無顯著差異。石楠對SO2的去除效果居中，最差的是雪松，對SO2的去除率僅為35%。 5種植物對PM2.5 的去除率表現為

雪松>廣玉蘭>女貞>桂花>石楠。雪松與廣玉蘭對PM2.5的去除率之間無顯著性差異，二者2 h對內可使煙霧箱中PM2.5的濃度下降56%左右。石楠對PM2.5的去除效果最差，2 h 的去除率僅為20.8%。值得注意的是，本試驗所選擇的5種植物對NOx的去除效果均較差，尤其是桂花，其對NOx的凈化率僅為9.4%。即使是對NOx去除效果最好的雪松，2 h NOx的去除率僅為27%。5種植物對NOx的凈化效果遠低于對SO2和PM2.5的凈化效果，表明植物對NOx的去除途徑與SO2和PM2.5可能有所不同。

2.2 植物葉片對SO2、PM2.5和NOx的吸附動力學特征

根據煙霧箱人工熏氣模擬試驗中大氣污染物的濃度和植物總葉面積，通過公式（2）計算單位葉面積SO2、PM2.5、NOx的吸附量，并運用經典反應動力學模型——假一級動力學模型和假二級動力學模型[公式（3）和公式（4）]，探討不同植物對3種大氣污染物的吸附動力學特征，以揭示植物吸收/吸附SO2、NOx和PM2.5的規律，并根據模型擬合結果評價不同植物對大氣污染物的去除能力。

由圖3可以看出，2 h內5種植物對SO2和PM2.5的累積量均已達到飽和狀態。由表2可知，假一級動力學和假二級動力學方程均能很好地擬合SO2和PM2.5累積量隨時間的變化，說明這5種植物對大氣中SO2和PM2.5的去除符合吸附反應動力學規律。從R2值來看，假一級動力學能更好地擬合植物對SO2的累積過程，表明這5種植物對大氣中SO2的去除能力主要受大氣中SO2濃度的影響，并且邊界擴散過程是決定其反應快慢的主要因素[21]。與SO2不同的是，假二級動力學方程對PM2.5累積動力學的擬合結果更佳，表明這5種植物葉片對PM2.5的凈化速率可能受化學反應過程限制[21]。通過假一級動力學和假二級動力學模型的擬合結果可以看出，單位葉面積植物對大氣SO2的累積量表現為廣玉蘭>雪松>女貞>桂花>石楠。這一排序結果與單株植物的去除率的排序結果（圖2）不同，但是與潘文等的研究結果[13]較為一致。表明利用動力學吸附方程擬合單位葉面積SO2累積量的結果是可靠的。單位葉面積植物對大氣PM2.5的平衡吸附量表現為雪松>廣玉蘭>女貞>桂花>石楠。這一排序結果總體上與單株植物對PM2.5去除率的排序結果一致，而又略有不同。從表2可以看出，單位葉面積雪松對PM2.5的飽和累積量遠高于廣玉蘭;而從整株植物的去除率來看，雪松和廣玉蘭對PM2.5的去除率均較高，但二者之間無顯著性差異（圖2）。

由圖4可以看出，試驗結束時（2 h）植物對NOx的吸收尚未達到最大值，其吸附量隨著時間的延長仍處于快速上升階段，尤其是雪松和廣玉蘭。此外，假一級動力學方程和假二級動力學方程均不能對試驗數據進行擬合，說明植物對NOx的去除途徑可能與SO2和PM2.5不同。植物對SO2和PM2.5的去除可能主要以葉表面吸附為主，其凈化速率受污染物濃度、邊界擴散、化學鍵形成等物理化學過程的控制[21]，即使部分SO2通過氣孔進入葉肉細胞后，其隨后發生轉化的過程（溶解于水后被氧化成SO2-4）亦為化學反應[13]。因此，不管是吸附還是吸收過程，植物對PM2.5和SO2的凈化反應速度均較快，因此在煙霧箱中的濃度迅速下降（圖1）。圖4結果表明，5種植物對NOx的去除可能主要以吸收為主。大氣中NOx通過呼吸作用從氣孔和細胞質進入植物體后，受體內轉化、累積等生化代謝過程控制（與細胞膜及胞內還原性物質結合，形成有機氮，有機氮在S-亞硝基谷胱甘肽還原酶作用下直接轉化成銨根離子或降解成硝酸鹽后，進入氨基酸代謝）[22-23]，該過程復雜，反應速度慢，導致其在煙霧箱中的濃度一直處于緩慢下降狀態（圖1）。

盡管5種植物對NOx的吸附量尚未達到飽和，但是從吸附趨勢仍然可以看出，其對NOx的凈化能力表現為廣玉蘭>雪松>女貞>石楠>桂花。將5種植物對3種大氣污染物的凈化能力分別賦予相同的權重，通過加權分析可以得出，5種植物對SO2、 PM2.5和NOx的綜合凈化能力表現為廣玉蘭>雪

松>女貞>桂花>石楠。2種高大喬木廣玉蘭和雪松對大氣單一污染物（SO2、PM2.5和NOx）的凈化能力（圖3、圖4）和對3種污染物的綜合凈化能力優于其他3種灌木。以往的研究認為，喬木（整株）是大氣污染物去除的主體，其滯塵量占城市綠地系統中總去除量的87%，灌木次之，僅占11.3%[24];而不同樹種單位葉面積大氣污染物去除量表現為灌木>喬木[16]。本試驗結果與短期室外敞開環境中以單位葉面積去除率為指標評價不同樹種凈化能力的研究結果相反，可能是由于室外敞開環境中受人類活動影響，粉塵主要集中在近地面約60 cm空間內[24]，而大多數喬木較高，因此，從短期效果來看，單位葉面積灌木的去污效率高于喬木。本研究結果與植物的長期凈化能力結果一致，進一步說明本試驗的研究結果更能客觀反映植物的凈化能力。

2.3 植物葉片形態特征與凈化機制

試驗所用5種植物葉片的典型環境掃描電鏡圖像見圖5，從葉面的粗糙程度來看，雪松葉片的表面極其粗糙，具有深淺不一的溝狀組織;廣玉蘭葉片的表面較光滑;女貞葉片的表面有明顯的褶皺;石楠葉片的表面分布有大量凸起;而桂花的葉片表面則是褶皺與凸起并存。從葉表被毛情況來看，雪松和石楠的葉片正面和背面均無毛;廣玉蘭葉片正面無毛，背面密被絨毛;女貞葉片正面無毛，背面有稀疏的絨毛;桂花葉片正面和背面均有稀疏絨毛。從圖5可以看出，2種喬木（雪松和廣玉蘭）表面均無氣孔結構;女貞、石楠和桂花的葉表面均有氣孔分布，與雪松和廣玉蘭明顯不同。3種灌木葉表氣孔孔徑表現為女貞[（21.46±2.79） μm]>桂花[（7.71±146） μm]≥石楠[（7.50±2.50） μm];氣孔密度表現為桂花[（658.4±919） 個/mm2]>石楠[（410.3±35.0） 個/mm2]>女貞[（2283±8.2） 個/mm2]。

植物葉片微形態結構和生物學特征對其大氣污染物凈化能力起著至關重要的作用[13]。已有研究表明，葉片粗糙程度、葉表被毛情況、氣孔密度等葉表形態結構影響著不同植物個體對大氣污染物的吸附（滯留）[25]。由圖3和表2可以看出，5種植物中2種喬木（雪松和廣玉蘭）對大氣中PM2.5的去除能力遠高于3種灌木。與3種灌木相比，雪松和廣玉蘭的葉表均無氣孔分布（圖5），但是具有深淺不一的溝狀組織（雪松）和密被絨毛（廣玉蘭），表明溝（槽）狀組織是植物滯留大氣顆粒物，尤其是PM2.5的最重要微形態結構，其次是被毛情況，氣孔大小和密度可能對植物吸附（滯留）PM2.5的影響較小。這一結果與王蕾等對北京市11種園林植物的滯塵和微形態結構分析結果[26]一致。3種灌木中女貞對大氣中PM2.5的滯留能力遠高于石楠和桂花，可能與女貞葉表面褶皺和被有少量絨毛有關。此外，與石楠和桂花相比，盡管女貞的氣孔密度較低，但是其氣孔孔徑大約是石楠和桂花的2.8倍，可能也是女貞對PM2.5去除能力較高的一個原因[27]。桂花和石楠除氣孔大小相近外，二者的另一共同特征是葉表皮均具有凸起組織。已有研究表明，凸起的表皮細胞不利于葉片滯納顆粒物[27]。因此，石楠與桂花凈化大氣中PM2.5的能力均較弱應歸因于其葉表面凸起組織。此外，桂花的葉片表面具有一定的褶皺組織，兩面均有稀疏的絨毛，氣孔密度大，可能是其對PM2.5的凈化能力略高于石楠的原因。

目前，關于葉片微形態結構對植物凈化大氣中SO2和NOx的研究較少，大多研究關注的是大氣中SO2暴露對植物葉片形態和生理生化特征的影響[28]。宋彬等通過石蠟切片法和指甲油印法對13種園林植物葉片解剖結構的觀察結果表明，葉片緊實度、表皮角質層厚度、氣孔長度、密度等影響著植物對大氣中SO2的吸收[29]。潘文等研究發現，葉片有蠟質、革質或葉面密生絨毛的植物使污染氣體不能暢通地進入葉內，影響植物的吸收凈化效果[13]。廣玉蘭和雪松的葉片均為革質，并且廣玉蘭葉面密被絨毛，但是對SO2和NOx的凈化效果最好，這與潘文等的研究結果[13]相反。在本試驗中，植物對大氣污染物的累積動力學規律表明，廣玉蘭和雪松對大氣中SO2的去除可能主要是通過表面吸附作用。廣玉蘭對SO2和NOx的凈化能力略高于雪松，可能與雪松的葉片是披針形，表皮角質層厚有關[26];也可能與植物利用SO2和NOx，使之參與代謝有關[29]。植物能夠通過呼吸作用對大氣中的SO2和NOx進行吸收和轉化，植物葉片表面氣孔的大小和數目影響植物對大氣中SO2和NOx的凈化能力。王勛陵等研究發現，單位面積內氣孔數目少而且氣孔器較小能夠使通過呼吸作用進入葉片的SO2避免二次排出[30]。在本研究中，氣孔孔徑表現為石楠<桂花<女貞，與植物凈化SO2的能力大小順序相反，表明通過呼吸作用吸收轉化過程不是植物凈化大氣中SO2主要途徑。而石楠對大氣中NOx的凈化效率略高于桂花（圖4），而石楠的氣孔孔徑略小于桂花（圖5），表明植物對大氣中NOx的去除可能是通過呼吸作用進行體內轉化吸收[17]。

3 結論

雪松、女貞、廣玉蘭、石楠、桂花等5種園林植物對大氣中PM2.5、SO2和NOx的整株凈化能力與單位葉面積能力明顯不同。假一級動力學和假二級動力學模型能夠很好地擬合植物對大氣中PM2.5和SO2累積動力學，但是不適合擬合NOx的累積動力學過程。表明5種植物對大氣中PM2.5和SO2的去除機制相似，且以表面吸附過程為主;而對NOx去除較慢，可能由葉片吸收與轉化過程控制。總體來看，5種植物對3種大氣污染物的綜合凈化能力表現為廣玉蘭>雪松>女貞>桂花>石楠。葉片表具有深淺不一的溝狀組織，或者密生絨毛，有利于植物吸附凈化PM2.5和SO2;而表面凸起結構不利于對污染物的吸附;氣孔大小和密度對NOx的吸收和轉化影響較大。研究結果可以為城市功能型園林植物選擇和生態城市建設提供科學依據。

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收稿日期：2019-06-04

基金項目：江蘇省住房和城鄉建設廳項目（編號：SJC2016010002）;南京市園林局項目（編號：20140401）;南京市綠化園林局項目（編號：YLKJ201705JH）。

作者簡介：賈明云（1985—），女，河南南陽人，博士，助理研究員，主要研究方向為環境污染與控制技術。E-mail：jmy27@163.com。

通信作者，于金平，碩士，高級實驗師，主要研究方向為大氣污染與植物修復。E-mail：yujinping@cnbg.net。